In den populären Medien werden häufig Neuronen und Muskelzellen gezeigt, die bei einer Stimulation Miniaturblitze auslösen. In echten Zellen sind diese Vorgänge weniger glanzvoll, aber dennoch faszinierend. Bewegungen, Gedanken, Gefühle, Erinnerungen, Empfindungen und vieles mehr werden durch Ionen ermöglicht, die sich durch enge Poren in Proteinen, den so genannten Ionenkanälen, in die Zelle hinein- und wieder herausbewegen. Diese Kanäle öffnen und schließen sich als Reaktion auf verschiedene Reize (z. B. eine Änderung der Spannung oder der Membranspannung oder die Bindung eines Moleküls an das Ionenkanalprotein). Ionenkanäle sind in die Zellmembran eingebettet, und die durch sie fließenden Ionenströme verändern die Spannung über der Membran und erzeugen ein elektrisches Signal, das ins Zellinnere oder zu anderen Zellen weitergeleitet werden kann (Hille, 2001).
Wie alle anderen Proteine sind auch Ionenkanäle das Produkt natürlicher Selektion (Anderson und Greenberg, 2001), und wir können etwas über ihre Evolution erfahren, indem wir die Gene vergleichen, die für ähnliche Ionenkanäle in verschiedenen Arten kodieren (Moran und Zakon, 2014). Eine wichtige Eigenschaft eines Ionenkanals ist seine Selektivität, die bestimmt, welche Arten von Ionen ihn passieren können. Natrium-Ionenkanäle wurden in Bakterien und anderen Prokaryonten identifiziert, und einige dieser Kanäle können mutiert werden, um eine Selektivität für Kalzium zu erreichen, aber bis vor kurzem wurden keine nativen Kalzium-Ionenkanäle in Prokaryonten beobachtet.
Nun berichten Katsumasa Irie von der Universität Nagoya und Kollegen – darunter Takushi Shimomura als Erstautor – in eLife über die erste Identifizierung eines nativen prokaryotischen Kalzium-Ionenkanals in Meiothermus ruber, einer Bakterienart, die in heißen Quellen lebt (Shimomura et al, 2020). Sie schlagen auch einen Selektivitätsmechanismus vor, der sich von dem der Kalziumionenkanäle in Eukaryonten unterscheidet.
Durch den Abgleich mehrerer DNA-Sequenzen von Natrium- und Kalziumkanälen aus Prokaryonten rekonstruierten Shimomura et al. auch einen phylogenetischen Baum, um zu zeigen, wie sich Natrium- und Kalziumkanäle in verschiedenen Arten aus einem gemeinsamen Vorfahren entwickelt haben (Abbildung 1). Dabei kam ein neuer Zweig des Stammbaums zum Vorschein, der so genannte Ahnen-ähnliche Natriumkanäle enthält (die homolog zu heutigen Natriumkanälen sind). Die Selektivitätsfilter des neu identifizierten Kalziumkanals und der Ahnen-ähnlichen Natriumkanäle weisen Sequenzen auf, die denen ähneln, die für einen Vorfahren eines in Bakterien gefundenen Natriumkanals vorhergesagt wurden (Liebeskind et al., 2013) und, bemerkenswerterweise, den Sequenzen, die in einer Reihe von Kalziumkanälen von Säugetieren gefunden wurden.
Evolutionsbaum für Kalzium- und Natriumionenkanäle.
Die Ergebnisse von Shimomura et al. deuten darauf hin, dass zwei Arten menschlicher Kalziumkanaldomänen (oben links), menschliche CatSper (eine Reihe von Kalziumkanälen, die in Spermien gefunden werden), die bakteriellen Natriumkanäle, die zu denen von Arcobacter butzleri homolog sind (NavAb-ähnliche BacNavs), die bakteriellen Natriumkanäle, die zu denen von Bacillus-Arten homolog sind (Bacillus BacNavs), und der native Kalziumkanal, der in M. ruber (und auch die Ahnen-ähnlichen Natriumkanäle; siehe Haupttext) haben einen gemeinsamen Vorfahren (unten). Die Ionenkanäle werden durch zwei identische Untereinheiten repräsentiert, und die Selektivitätsfilter sind in Grau dargestellt, wobei die am meisten konservierten Reste farblich hervorgehoben sind (siehe Leitfaden). Beachten Sie, dass das Vorhandensein von Glycin sowohl bei den menschlichen Kalziumkanälen als auch bei den Kalziumkanälen von M. ruber mit der Kalziumselektivität in Verbindung gebracht werden kann. Die Plasmamembran ist gelb dargestellt.
Die Sequenzen für zwei Homologe der prokaryotischen Natriumkanäle wurden dann verwendet, um die entsprechenden Kanäle in Säugetier- und Insektenzellen zu synthetisieren, so dass ihre elektrischen Eigenschaften gemessen werden konnten. Der auf M. ruber basierende Kanal zeigte eine hohe Selektivität für Ionen mit einer Ladung von 2+: seine Selektivität für Ca2+ war ~200 mal größer als seine Selektivität für Na+. Es wird allgemein angenommen, dass die Selektivität von Kalziumkanälen auf das Vorhandensein von Aspartaten im Selektivitätsfilter zurückzuführen ist, die negativ geladen sind (Catterall und Zheng, 2015). Als jedoch der Kalziumkanal von M. ruber mutiert wurde, um ein Aspartat in dieser Region zu eliminieren, behielt der Kanal den größten Teil seiner Selektivität für Ca2+-Ionen bei.
Andererseits war der Kanal von Plesiocystis pacifica, einer Bakterienart, die im Boden lebt, dreimal selektiver für Na+-Ionen als für Ca2+-Ionen. Außerdem konnte der Fluss von Na+-Ionen durch diesen Kanal durch hohe Konzentrationen extrazellulärer Ca2+-Ionen blockiert werden. Außerdem konnte die blockierende Wirkung von Ca2+ durch Hinzufügen eines Alaninrestes, der keine Ladung hat, zum Selektivitätsfilter verstärkt werden, obwohl in dieser Region drei negativ geladene Aminosäuren vorhanden sind.
Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Selektivität dieser beiden Ionenkanäle möglicherweise nicht nur von der Anwesenheit negativer Ladungen im Filter abhängt.
Die Ergebnisse von M. ruber und P. pacifica veranlassten Shimomura et al. dazu, die molekulare Grundlage der Ca2+-Selektivität in diesen Kanälen zu untersuchen. Sie fanden heraus, dass, wenn der Selektivitätsfilter des Kalziumkanals von M. ruber so mutiert wurde, dass er dem Natriumkanal von P. pacifica entsprach, dieser neue Kanal seine Ca2+-Selektivität verlor und sich wie ein nicht-selektiver Kanal verhielt. Wurde der Natriumkanal von P. pacifica jedoch so mutiert, dass er mit dem Kalziumkanal von M. ruber identisch war, zeigte er eine ähnliche Kalziumselektivität wie M. ruber.
M. ruber und P. pacifica haben unterschiedliche Aminosäuren an den Positionen 4 und 6 in ihren Selektivitätsfiltern. Shimomura et al. fanden heraus, dass ein Wechsel des Glycins an Position 4 in M. ruber zu einem Serin oder Aspartat die Ca2+-Selektivität um einen Faktor von fast 25 reduzierte und jegliche Selektivität für Ionen mit einer einzigen positiven Ladung (wie Na+) auslöschte. Der kleine und flexible Glycinrest in Position 4 würde die Pore erweitern und den Eintritt von Ionen mit einer Ladung von 2+, wie Ca2+, erleichtern. Die Tatsache, dass dieser Glycinrest in einigen eukaryotischen Kalziumkanälen erhalten geblieben ist, deutet darauf hin, dass er Teil eines allgemeineren Kalziumselektivitätsmechanismus sein könnte. Die Strukturanalyse der neuen Kanäle wird Aufschluss über diese Möglichkeit geben.
Schließlich deuten die jüngsten Arbeiten darauf hin, dass die spannungsabhängige Ca2+-Signalübertragung älter ist als bisher angenommen, und das Vorhandensein von Kalziumkanälen in Prokaryonten legt die Möglichkeit nahe, dass die Ca2+-selektiven Kanäle in Eukaryonten nicht, wie bisher angenommen, von Natriumkanälen abstammen. Die von Shimomura et al. beschriebene neue Familie von Kanälen öffnet ein verlockendes Fenster in eine riesige evolutionäre Landschaft, die wir gerade erst zu begreifen beginnen.